一种无线传感网络高精度定位方法
【专利摘要】本发明提供一种无线传感网络高精度定位方法，其特征在于，包括如下步骤：设置一组锚节点，并选择适当的位置作为坐标原点o，建立原点坐标系xoz,计算各个锚节点相对于坐标原点o的相对极坐标(r,δ)，每个锚节点上设置有一组红外摄像头，计算各个红外摄像头的方向信息，将各个相对极坐标和红外摄像头方向信息录入对应的锚节点主控模块，被测节点上设置两个红外发光模块。本方法对无线传感网定位参考坐标获取这一核心为题提供低成本高精度的解决方案，对于无线传感网机近距离无线通信高精度定位系统研究具有重要的参考价值。
【专利说明】
-种无线传感网络高精度定位方法
技术领域
[0001] 本发明设及无线传感网络定位领域，具体地讲，设及一种无线传感网络高精度定 位方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感网（WSN)中的节点定位是WSN众多研究和应用的基础，也是一个研究热 点。为了评价定位算法，我们需要获取高精度的参考坐标，采用普通的GPS定位方法定位精 度能够达到2米W内，对于一些高精度定位而言不能满足需求;虽然通过差分GPS方法可W 达到非常高的精度，但是运种方法花费极大，更重要的是GPS技术室内无法完成定位，而无 线定位的试验环境很多时候是在室内或半开放环境下，因此我们需要一种通用、廉价、便捷 的参考坐标提供系统和方法，摄像定位系统可W实现高精度的物体定位，但是通常运些系 统需要非常复杂的图像处理算法、图像识别技术及强大的处理器来进行图像分析处理，要 求很强的专业知识，开发难度大，我们设计了一种不同于传统摄像定位方法的低复杂度摄 像实时定位系统，过滤掉无关的信息，能够用简单的算法实现较精度的实时定位。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种无线传感网络高精度定位方法，能够用简单 的算法实现较精度的实时定位。
[0004] 本发明采用如下技术方案实现发明目的：
[0005] -种无线传感网络高精度定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006] (1)设置一组错节点，并选择适当的位置作为坐标原点0,建立原点坐标系XOZ，计 算各个错节点相对于坐标原点O的相对极坐标(r，S)，每个错节点上设置有一组红外摄像 头，计算各个红外摄像头的方向信息，将各个相对极坐标和红外摄像头方向信息录入对应 的错节点主控模块，被测节点上设置两个红外发光模块；
[0007] (2)首先进行预测量操作，将两个间距为d红外发光模块竖直放置，其中位置较低 的红外发光模块与错节点的红外摄像头同高的位置，分别用红外摄像头拍摄距离红外发光 模块不同设定距离时的红外图像，并求得每个红外图像的两个红外发光模块间的像素点数 存入距离参考缓冲区DisRef [i]，缓冲区格式如下：Dref [i]、nref[i]，其中，Dref [i]表示不 同设定距离，nref[i]表示不同设定距离对应的两个红外发光模块之间的像素点数，距离参 考缓冲区DisRefti]按照由大到小的顺序进行存储；
[000引（3)其中一个错节点自动成为主节点，每5秒钟在发送时隙TO发送一次系统同步指 令SYSSYNC，其他错节点在自己对应的错节点时隙化发送应答无线数据包ACKSYSSYNC，被测 节点在终端节点时隙Tt发送应答无线数据包TACKSYSSYNC，如果主节点收到应答无线数据 包ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，则转步骤(4)，否则重复步骤(3);
[0009] (4)被测试节点按键在Tt时隙发送请求测试无线数据包Appl^est,每个错节点接 收到请求数据包后在对应的化时隙发送ACKA卵IyTest数据包，被测节点接受到全部错节点 应答后开始测试进入步骤(5);
[0010] (5)被测节点按键打开红外发射模块，然后发送定位测试数据包LocTest,等待2秒 后关闭红外发射模块，每个错节点接收到无线数据包后通知对应的图像处理模块进行拍 照，并对采集的图像信息进行处理，获取被测节点的全局坐标：
[0011] (6)各个错节点将获取的原始数据和最终计算的被测节点全局坐标发送至主节 点，主节点将接收的所有被测节点全局坐标取平均后得到最终的被测节点坐标，同时将坐 标信息存入TF卡，然后将被测节点坐标信息发送至被测节点，被测节点接收到坐标信息后 再显示模块上显示，至此完成一次定位。
[0012] 作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(5)包括如下步骤：
[0013] (5.1)被测节点打开红外发射模块，然后发送定位测试数据包LocTest,错节点接 收到无线数据包后通知图像处理模块进行拍照，每个错节点拍摄的图像不存在重叠现象， 图像处理模块对采集的图像信息进行处理；
[0014] (5.2)将图像处理模块的处理信息发送到错节点主控模块计算被测节点的相对坐 标；
[0015] (5.3)通过极坐标运算就可W得到被测节点的全局坐标。
[0016] 作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(5.1)的图像信息处理包括如下步骤：
[0017] (5.1.1)图像处理模块首先将N个发光区域的存储缓冲区化S阳]清空，每个存储缓 冲区有7个参数，分别为最小X坐标Xmin，最大X坐标Xmax，最小Y坐标化in，最大Y坐标Ymax，X 坐标平均值Xavg，Y坐标平均值化Vg，像素点数量Num，上述参数的初始值均为0;
[0018] (5.1.2)然后将红外摄像头采集的灰度图像按照行列的顺序依次将各像素点发送 至图像处理模块，图像处理模块判断每个像素点的亮度是否大于预设的强度阔值Ath,如果 亮度大于Ath，则判断该像素点为发光点，然后将该像素点的坐标依次与每个存储缓冲区的 参数进行比对：
[0019] 如果像素点X坐标<Xmin-2或像素 X坐标〉Xmax+2，
[0020] 同时
[0021 ] 像素 Y坐标別min-2或像素 Y坐标〉Ymax+2，
[0022] 则判断该像素点不在该发光区域内，查找下一个存储缓冲区；
[0023] 否则判断该发光点在该发光区域内，更新存储缓冲区参数：
[0024] 如果乂坐标。111；[]1，贝化111；[]1=乂坐标，
[0025] 否则如果X坐标〉Xmax，则Xmax=X坐标，
[0026] 如果Y坐标 <化;[]1，则化;[]1 = ￥坐标，
[0027] 否则如果Y坐标〉Ymax，则Ymax = Y坐标；
[002引 Xavg= (Xavg*Num 巧坐标）/Num;
[0029] 化 Vg= (Yavg*Num 巧坐标）/Num;
[0030] Num = Num+!；
[0031] (5.1.3)如果该像素点不在所有的发光区域中，则判断为新的发光区域，新的发光 区域的存储缓冲区P〇s[m]的参数设置如下：
[0032] Xmin=X 坐标；
[003；3] Xmax=X 坐标；
[0034] %iin = Y 坐标；
[0035] Ymax = Y 坐标；
[0036] Xavg=X 坐标；
[0037] 化 Vg = Y 坐标；
[00；3 引 Num=I;
[0039] (5.1.4)当所有的像素点传输完毕后图像处理模块将所有存储缓冲区信息处理， 首先选择满足如下条件的发光区域W降低误差：
[0040] Xavg-Xmin〉Rxth 同时 Xmax-Xavg〉Rxth 同时化 vg-%iin〉R}fth 同时 Ymax-化 vg〉RYth， Rxth, Ryth为系统设置的发光区域最小有效半径;然后选出所有发光区域Xavg相差5W内的 发光区域，如有2个发光区域满足条件则表明成功拍摄到被测节点，否则表明未拍摄到被测 节点。
[0041] 作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(5.2)包括如下步骤：
[0042] 化9 1')巧巧献畑Il巧占的鳥底；
[0043]
[0044] 其中，nt为拍摄图像中两个发光区域中屯、点间的像素点数，假设较高的发光区域 中屯、点Y坐标为Yavgl,较低的发光区域中屯、点Y坐标为Yavg2,则nt=(Yavgl-Yavg2); Yimagemax表示拍摄图像的高度，d表示两个红外发光模块的实际间距；
[0045] (5.2.2)计算红外摄像头与被测节点的距离Dis,具体步骤如下：
[0046] 首先在距离参考缓冲区DisRef [ i ]中查找nt，当nref [i ]<nt或者nref [ i ] = nt时停 止查找，
[0047] 如果nref [i]=nt，则被测节点与摄像头距离Dis = Drefti];
[004引 否则Dis = nt*( Dref [ i ]-Dref[ i_l ])/(nref [ i ]-nref[ i_l ])
[0049] 如果没有找到则：
[0050] Dis = nt*(Dref [Nmax-l ]-Dref [Nmax-2] )/(nref [Nmax-l ]-nref [Nmax-2]) ,Nmax 表示化ef和nref数组的最大数量；
[0051 ] (5.2.3)计算被测节点的相对坐标，具体步骤如下：
[0052]首先建立垂直于拍摄图像XY平面的XZ平面，)(Z平面穿过红外摄像头且与两个被测 节点连线垂直，拍摄图像平面为XY平面，红外摄像头在XY平面的投影位于拍摄图像中屯、化 (nx/2，ny/2)，在XY平面上穿过拍摄图像中屯、化且与两个被测节点连线垂直的直线为拍摄 图像X轴，在XY平面上穿过拍摄图像中屯、化且与拍摄图像X轴垂直的为拍摄图像Y轴，在XZ平 面上穿过拍摄图像中屯、化和红外摄像头的直线为拍摄图像Z轴，nx为拍摄图像的宽度，ny为 拍摄图俊的高底.巧揚图像的中,|、地1距离两个被测节点连线的距离化为：
[0化3]
[0054]红外摄像头与被测节点的距离Dis在XZ平面映射距离Diszx为：
[0化5]
[0056]红外摄像头与拍摄图像中屯、化的距离化为
[0化7]
[005引 i角丫计算如下：
[0化9]
[0060] 被测节点相对摄像头在XZ平面上的相对坐标为(Diszx，丫）。
[0061] 作为对本技术方案的进一步限定，所述红外摄像头的方向信息是指红外摄像头与 原点坐标系XO Z的X轴在XZ平面的夹角0。
[0062] 作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(5.3)包括如下步骤：
[0063] 被测节点在XZ平面上与红外摄像头的夹角为丫；
[0064] 被测节点相对错节点的高度Dy,也就是被测节点距离XZ平面的高度，即被测节点 的实际的Y向坐标为：
[0065] 所W可W得到被测节点相对错节点X轴坐标：
[0066] 被测节点相对红外摄像头在XZ平面上映射距离为Diszx,又已知红外摄像头与原 点坐标系的X轴在XZ平面夹角为0，因此被测节点相对红外摄像头在XZ平面上与原点坐标系 的X轴的夹角为e+y ;
[0067] 最后利用各错节点的相对极坐标(r，S)计算得到被测节点相对于原点O的坐标，被 测节点的全局X向坐标为? cos(S)+Diszx ? cos(0+ 丫）；被测节点的全局Z向坐标为:1'? sin(5)+Diszx ? sin(0+ 丫）。
[0068] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是:本测试方法通过在被测节点安装 红外发光模块，定位错节点上安装多台单通道红外摄像头采集图像信息，得到被测节点红 外发光区域大小和位置计算得到被测节点的=维坐标，通过多错节点协同得到精确的位置 信息，为无线传感网定位提供高精度的参考位置信息。本方法对无线传感网定位参考坐标 获取运一核屯、为题提供低成本高精度的解决方案，对于无线传感网机近距离无线通信高精 度定位系统研究具有重要的参考价值。
【附图说明】
[0069] 图1为本发明的被测节点控制装置的原理方框图。
[0070] 图2为本发明的错节点控制装置的原理方框图。
[0071] 图3为本发明的被测节点所处的无线网络的结构示意图。
[0072] 图4为本发明的原点坐标系和红外摄像头关系的结构示意图。
[0073] 图5为本发明的拍摄图像的结构示意图。
[0074] 图6为本发明的XY平面和XZ平面的结构示意图。
【具体实施方式】
[0075] 下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细说明。
[0076] 参见图1-图6,本发明的硬件部分包括被测节点控制装置和错节点控制装置，所述 被测节点控制装置包括被测节点主控模块1，所述被测节点主控模块1分别连接被测节点无 线模块2和两个红外发射模块3,所述错节点控制装置包括错节点主控模块7,所述错节点主 控模块7分别连接错节点无线模块8和图像处理模块9,每个所述图像处理模块9分别连接红 外摄像头10,所述被测节点无线模块和错节点无线模块分别连接有天线6。
[0077] 所述被测节点主控模块1还连接被测节点显示模块4和被测节点键盘模块5。所述 错节点主控模块7还连接错节点显示模块11和错节点键盘模块12,被测节点显示模块4和错 节点显示模块11采用OL邸模块。
[0078] 两个所述红外发射模块3竖直放置，两个所述红外摄像头10的夹角为90-120度。
[0079] 所述被测节点控制装置和所述错节点控制装置都设置于支架13上，所述被测节点 控制装置和所述错节点控制装置都设置有电源模块14。
[0080] 本发明包括如下步骤：
[0081] (1)设置一组错节点，并选择适当的位置作为坐标原点0,建立原点坐标系XOZ，计 算各个错节点相对于坐标原点O的相对极坐标(r，S)，每个错节点上设置有一组红外摄像 头，计算各个红外摄像头的方向信息，将各个相对极坐标和红外摄像头方向信息录入对应 的错节点主控模块，被测节点上设置两个红外发光模块；
[0082] (2)首先进行预测量操作，将两个间距为d红外发光模块竖直放置，其中位置较低 的红外发光模块与错节点的红外摄像头同高的位置，分别用红外摄像头拍摄距离红外发光 模块不同设定距离时的红外图像，并求得每个红外图像的两个红外发光模块间的像素点数 存入距离参考缓冲区DisRef [ i ]，缓冲区格式如下：
[0083] Dref [i]、nref[i]，其中，Dref [i]表示不同设定距离，nref[i]表示不同设定距离 对应的两个红外发光模块之间的像素点数，距离参考缓冲区DisRef [i]按照由大到小的顺 序进行存储；
[0084] (3)其中一个错节点自动成为主节点，每5秒钟在发送时隙TO发送一次系统同步指 令SYSSYNC，其他错节点在自己对应的错节点时隙化发送应答无线数据包ACKSYSSYNC，被测 节点在终端节点时隙Tt发送应答无线数据包TACKSYSSYNC，如果主节点收到应答无线数据 包ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，则转步骤(4)，否则重复步骤(3);
[0085] (4)被测试节点按键在Tt时隙发送请求测试无线数据包Appl^est,每个错节点接 收到请求数据包后在对应的化时隙发送ACKA卵IyTest数据包，被测节点接受到全部错节点 应答后开始测试进入步骤(5);
[0086] (5)被测节点按键打开红外发射模块，然后发送定位测试数据包LocTest,等待2秒 后关闭红外发射模块，每个错节点接收到无线数据包后通知对应的图像处理模块进行拍 照，并对采集的图像信息进行处理，获取被测节点的全局坐标：
[0087] (6)各个错节点将获取的原始数据和最终计算的被测节点全局坐标发送至主节 点，主节点将接收的所有被测节点全局坐标取平均后得到最终的被测节点坐标，同时将坐 标信息存入TF卡，然后将被测节点坐标信息发送至被测节点，被测节点接收到坐标信息后 再显示模块上显示，至此完成一次定位。
[0088] 所述步骤(5)包括如下步骤：
[0089] (5.1)被测节点打开红外发射模块，然后发送定位测试数据包LocTest,错节点接 收到无线数据包后通知图像处理模块进行拍照，每个错节点拍摄的图像不存在重叠现象， 图像处理模块对采集的图像信息进行处理；
[0090] (5.2)将图像处理模块的处理信息发送到错节点主控模块计算被测节点的相对坐 标；
[0091] (5.3)通过极坐标运算就可W得到被测节点的全局坐标。
[0092] 所述步骤(5.1)的图像信息处理包括如下步骤：
[0093] (5.1.1)图像处理模块首先将N个发光区域的存储缓冲区化S阳]清空，每个存储缓 冲区有7个参数，分别为最小X坐标Xmin，最大X坐标Xmax，最小Y坐标化in，最大Y坐标Ymax，X 坐标平均值Xavg，Y坐标平均值化Vg，像素点数量Num，上述参数的初始值均为0;
[0094] (5.1.2)然后将红外摄像头采集的灰度图像按照行列的顺序依次将各像素点发送 至图像处理模块，图像处理模块判断每个像素点的亮度是否大于预设的强度阔值Ath,如果 亮度大于Ath，则判断该像素点为发光点，然后将该像素点的坐标依次与每个存储缓冲区的 参数进行比对：
[0095] 如果像素点X坐标<Xmin-2或像素 X坐标〉Xmax+2，
[0096] 同时
[0097] 像素 Y坐标別min-2或像素 Y坐标〉Ymax+2，
[0098] 则判断该像素点不在该发光区域内，查找下一个存储缓冲区；
[0099] 否则判断该发光点在该发光区域内，更新存储缓冲区参数：
[0100] 如果 X 坐标 <Xmin，贝 IjXmin=X 坐标，
[0101 ] 否则如果X坐标〉Xmax,则Xmax=X坐标，
[0102] 如果Y坐标 <化;[]1，则化;[]1 = ￥坐标，
[0103] 否则如果Y坐标〉Ymax,则Ymax = Y坐标；
[0104] Xavg= (Xavg*Num 巧坐标）/Num;
[0105] 化 Vg= (Yavg*Num 巧坐标）/Num;
[0106] Num = Num+!；
[0107] (5.1.3)如果该像素点不在所有的发光区域中，则判断为新的发光区域，新的发光 区域的存储缓冲区P〇s[m]的参数设置如下：
[010 引 Xmin=X 坐标；
[0109] Xmax=X 坐标；
[0110] %iin = Y 坐标；
[0111] Ymax = Y坐标；
[0112] Xavg=X 坐标；
[0113] 化 Vg = Y 坐标；
[0114] Num=I ；
[0115] (5.1.4)当所有的像素点传输完毕后图像处理模块将所有存储缓冲区信息处理， 首先选择满足如下条件的发光区域W降低误差：
[0116] Xavg-Xmin〉Rxth 同时 Xmax-Xavg〉Rxth 同时化 vg-%iin〉R}fth 同时 Ymax-化 vg〉RYth， Rxth, Ryth为系统设置的发光区域最小有效半径;然后选出所有发光区域Xavg相差5W内的 发光区域，如有2个发光区域满足条件则表明成功拍摄到被测节点，否则表明未拍摄到被测 节点。
[0117] 所述步骤(5.2)包括如下步骤：
[0118] (5.2.1)获取被测节点的高度：
[0119]
[0120] 其中，nt为拍摄图像中两个发光区域中屯、点间的像素点数，假设较高的发光区域 中屯、点Y坐标为Yavgl,较低的发光区域中屯、点Y坐标为Yavg2,则nt=(Yavgl-Yavg2); Yimagemax表示拍摄图像的高度，d表示两个红外发光模块的实际间距；
[0121 ] (5.2.2)计算红外摄像头与被测节点的距离Dis，具体步骤如下：
[0122] 首先在距离参考缓冲区DisRef [ i ]中查找nt，当nref [i ]<nt或者nref [ i ] = nt时停 止查找，
[0123] 如果nref[i] =nt,则被测节点与摄像头距离Dis = Dref[i];
[0124] 否则Dis = nt*( Dref [ i]-Dref[ i_l ])/(nref [ i]-nref[ i_l ])
[0125] 如果没有找到则：
[01 %] Dis = nt*(Dref [Nmax-l ]-Dref [Nmax-2] )/(nref [Nmax-l ]-nref [Nmax-2])，Nmax 表示化ef和nref数组的最大数量；
[0127] (5.2.3)计算被测节点的相对坐标，具体步骤如下：
[012引首先建立垂直于拍摄图像XY平面的XZ平面，)(Z平面穿过红外摄像头且与两个被测 节点连线垂直，拍摄图像平面为XY平面，红外摄像头在XY平面的投影位于拍摄图像中屯、化 (nx/2，ny/2)，在XY平面上穿过拍摄图像中屯、化且与两个被测节点连线垂直的直线为拍摄 图像X轴，在XY平面上穿过拍摄图像中屯、化且与拍摄图像X轴垂直的为拍摄图像Y轴，在XZ平 面上穿过拍摄图像中屯、化和红外摄像头的直线为拍摄图像Z轴，nx为拍摄图像的宽度，ny为 拍摄图像的高度，拍摄图像的中屯、化距离两个被测节点连线的距离化为：
[0129]
[0130] 红外摄像头与被测节点的距离Dis在XZ平面映射距离Diszx为：
[0131]
[0132] 奸林標傻車白柏標巧像中屯、化的距离化为
[0133]
[0134] Diszx与化的水平夹角丫计算如下：
[0135]
[0136] 被测节点相对摄像头在XZ平面上的相对坐标为(Diszx，丫）。
[0137] 所述红外摄像头的方向信息是指红外摄像头与原点坐标系XOZ的X轴在XZ平面的 夹角e。
[0138] 所述步骤(5.3)包括如下步骤：
[0139] 被测节点在XZ平面上与红外摄像头的夹角为丫；
[0140] 被测节点相对铺带占的高原Dv,也就是被测节点距离XZ平面的高度，即被测节点 的实际的Y向坐标呆
[0141] 所W可W得到被测节点相对错节点X轴坐标：
[0142] 被测节点相对红外摄像头在XZ平面上映射距离为Diszx,又已知红外摄像头与原 点坐标系的X轴在XZ平面夹角为0，因此被测节点相对红外摄像头在XZ平面上与原点坐标系 的X轴的夹角为0+T ;
[0143]最后利用各错节点的相对极坐标(r，S)计算得到被测节点相对于原点O的坐标，被 测节点的全局X向坐标为? cos(S)+Diszx ? cos(0+ 丫）；被测节点的全局Z向坐标为:1'? sin(5)+Diszx ? sin(0+ 丫）。
【主权项】
1. 一种无线传感网络高精度定位方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 设置一组锚节点，并选择适当的位置作为坐标原点0,建立原点坐标系X〇Z，计算各 个锚节点相对于坐标原点〇的相对极坐标α，δ)，每个锚节点上设置有一组红外摄像头，计 算各个红外摄像头的方向信息，将各个相对极坐标和红外摄像头方向信息录入对应的锚节 点主控模块，被测节点上设置两个红外发光模块； (2) 首先进行预测量操作，将两个间距为d红外发光模块竖直放置，其中位置较低的红 外发光模块与锚节点的红外摄像头同高的位置，分别用红外摄像头拍摄距离红外发光模块 不同设定距离时的红外图像，并求得每个红外图像的两个红外发光模块间的像素点数存入 距离参考缓冲区DisRef [i]，缓冲区格式如下： Dref [i]、nref [i]，其中，Dref [i]表示不同设定距离，nref [i]表示不同设定距离对应 的两个红外发光模块之间的像素点数，距离参考缓冲区DisRef [i]按照由大到小的顺序进 行存储； (3) 其中一个锚节点自动成为主节点，每5秒钟在发送时隙TO发送一次系统同步指令 SYSSYNC，其他锚节点在自己对应的锚节点时隙Τη发送应答无线数据包ACKSYSSYNC，被测节 点在终端节点时隙Tt发送应答无线数据包TACKSYSSYNC，如果主节点收到应答无线数据包 ACKSYSSYNC和TACKSYSSYNC，则转步骤(4)，否则重复步骤(3); (4) 被测试节点按键在Tt时隙发送请求测试无线数据包ApplyTest，每个锚节点接收到 请求数据包后在对应的Τη时隙发送ACKApp 1 yTe s t数据包，被测节点接受到全部锚节点应答 后开始测试进入步骤(5); (5) 被测节点按键打开红外发射模块，然后发送定位测试数据包LocTest，等待2秒后关 闭红外发射模块，每个锚节点接收到无线数据包后通知对应的图像处理模块进行拍照，并 对采集的图像信息进行处理，获取被测节点的全局坐标： (6) 各个锚节点将获取的原始数据和最终计算的被测节点全局坐标发送至主节点，主 节点将接收的所有被测节点全局坐标取平均后得到最终的被测节点坐标，同时将坐标信息 存入TF卡，然后将被测节点坐标信息发送至被测节点，被测节点接收到坐标信息后再显示 模块上显示，至此完成一次定位。2. 根据权利要求1所述的无线传感网络高精度定位方法，其特征在于，所述步骤(5)包 括如下步骤： (5.1) 被测节点打开红外发射模块，然后发送定位测试数据包LocTest，锚节点接收到 无线数据包后通知图像处理模块进行拍照，每个锚节点拍摄的图像不存在重叠现象，图像 处理模块对采集的图像信息进行处理； (5.2) 将图像处理模块的处理信息发送到锚节点主控模块计算被测节点的相对坐标； (5.3) 通过极坐标运算就可以得到被测节点的全局坐标。3. 根据权利要求2所述的无线传感网络高精度定位方法，其特征在于，所述步骤(5.1) 的图像信息处理包括如下步骤： (5.1.1) 图像处理模块首先将N个发光区域的存储缓冲区Pos[N]清空，每个存储缓冲区 有7个参数，分别为最小X坐标Xmin，最大X坐标Xmax，最小Y坐标Ymin，最大Y坐标Ymax，X坐标 平均值Xavg，Y坐标平均值Yavg，像素点数量Num，上述参数的初始值均为0; (5.1.2) 然后将红外摄像头采集的灰度图像按照行列的顺序依次将各像素点发送至图 像处理模块，图像处理模块判断每个像素点的亮度是否大于预设的强度阈值Ath，如果亮度 大于Ath，则判断该像素点为发光点，然后将该像素点的坐标依次与每个存储缓冲区的参数 进行比对： 如果像素点X坐标〈Xmin-2或像素 X坐标>Xmax+2， 同时 像素 Y坐标〈Ymin-2或像素 Y坐标〉Ymax+2， 则判断该像素点不在该发光区域内，查找下一个存储缓冲区； 否则判断该发光点在该发光区域内，更新存储缓冲区参数： 如果X坐标〈Xmin，则Xmin = X坐标， 否则如果X坐标>Xmax，则Xmax = X坐标， 如果Y坐标〈Ymin，则Ymin = Y坐标， 否则如果Y坐标〉Ymax，则Ymax = Y坐标； Xavg= (Xavg*Num+X 坐标）/Num; Yavg= (Yavg*Num+Y 坐标）/Num; Num=Num+l ； (5.1.3) 如果该像素点不在所有的发光区域中，则判断为新的发光区域，新的发光区域 的存储缓冲区P〇s[m]的参数设置如下： Xmin = X 坐标； Xmax = X 坐标； Ymin = Y 坐标； Ymax = Y坐标； Xavg = X 坐标； Yavg = Y 坐标； Num= 1 ； (5.1.4) 当所有的像素点传输完毕后图像处理模块将所有存储缓冲区信息处理，首先 选择满足如下条件的发光区域以降低误差： Xavg_Xmin>Rxth 同时 Xmax_Xavg>Rxth 同时 Yavg_Ymin>Ryth 同时 Ymax_Yavg>RYth， Rxth，Ryth为系统设置的发光区域最小有效半径;然后选出所有发光区域Xavg相差5以内的 发光区域，如有2个发光区域满足条件则表明成功拍摄到被测节点，否则表明未拍摄到被测 节点。4.根据权利要求3所述的无线传感网络高精度定位方法，其特征在于，所述步骤(5.2) 包括如下步骤： (5.2.1) 获取被测节点的高度：其中，nt为拍摄图像中两个发光区域中心点间的像素点数，假设较高的发光区域中心 点Y坐标为Yavgl，较低的发光区域中心点Y坐标为Yavg2,则nt = (Yavgl_Yavg2) ;Yimagemax 表示拍摄图像的高度，d表示两个红外发光模块的实际间距； (5.2.2) 计算红外摄像头与被测节点的距离Dis，具体步骤如下： 首先在距离参考缓冲区DisRef [i]中查找nt，当nref [i]〈nt或者nref [i] =nt时停止查 找， 如果nref [ i ] =nt，则被测节点与摄像头距离Dis = Dref [ i ]; 否则018 = 111:*(0代;1^[;[]-0^;1^[;[-1])/(1^6；1^[;[]-1^6；1^[;[-1]) 如果没有找到则： Dis = nt*(Dref[Nmax_l ]-Dref[Nmax_2] )/(nref[Nmax_l ]-nref[Nmax_2])，Nmax 表不 Dref和nref数组的最大数量； (5.2.3)计算被测节点的相对坐标，具体步骤如下： 首先建立垂直于拍摄图像XY平面的XZ平面，XZ平面穿过红外摄像头且与两个被测节点 连线垂直，拍摄图像平面为XY平面，红外摄像头在XY平面的投影位于拍摄图像中心ChUx/ 2，ny/2)，在XY平面上穿过拍摄图像中心(h且与两个被测节点连线垂直的直线为拍摄图像X 轴，在XY平面上穿过拍摄图像中心Oi且与拍摄图像X轴垂直的为拍摄图像Y轴，在XZ平面上 穿过拍摄图像中心Ch和红外摄像头的直线为拍摄图像Z轴，nx为拍摄图像的宽度，ny为拍摄 图像的高度，拍摄图像的中心〇:距离两个被测节点连线的距离Dx为：红外摄像头与被测节点的距离Dis在XZ平面映射距离Diszx为：红外摄像头与拍摄图像中心Οι的距离Dz为Diszx与Dz的水平夹角γ计算如下：被测节点相对摄像头在ΧΖ平面上的相对坐标为(Diszx，γ )。5. 根据权利要求4所述的无线传感网络高精度定位方法，其特征在于，所述红外摄像头 的方向信息是指红外摄像头与原点坐标系xoz的X轴在ΧΖ平面的夹角β。6. 根据权利要求5所述的无线传感网络高精度定位方法，其特征在于，所述步骤(5.3) 包括如下步骤： 被测节点在xz平面上与红外摄像头的夹角为γ ; 被测节点相对锚节点的高度Dy，也就是被测节点距离XZ平面的高度，即被测节点的实 际的Y向坐标为：所以可以得到被测节点相对锚节点X轴坐标： 被测节点相对红外摄像头在XZ平面上映射距离为Diszx，又已知红外摄像头与原点坐 标系的X轴在XZ平面夹角为β，因此被测节点相对红外摄像头在XZ平面上与原点坐标系的X 轴的夹角为β+γ ; 最后利用各锚节点的相对极坐标(rj)计算得到被测节点相对于原点〇的坐标，被测节 点的全局X向坐标为:r · cos(5)+Diszx · cos(P+ γ ); 被测节点的全局ζ向坐标为:r · sin(5)+Diszx · sin(P+Y )。
【文档编号】G01S5/16GK105828291SQ201610285587
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】付勇, 徐梅, 王春梅, 刘瑞霞, 陈长英, 胡帆, 胡一帆, 朱亮, 王英龙
【申请人】山东省计算中心（国家超级计算济南中心）